巨型水电厂运行和维护关键策略

南冠群，赵晓嘉，范迎春，张鹤鸣，乔进国



巨型水电厂运行和维护关键策略

南冠群，赵晓嘉，范迎春，张鹤鸣，乔进国

（华能澜沧江水电股份有限公司小湾水电厂，云南 大理 675702）

介绍了巨型水电厂多项运行和维护关键策略的研究和应用，开发了动态数据分析系统，实现了智能巡检。针对维护和检修关键策略进行了研究，全面掌握各类机电设备的真实性能和薄弱环节，解决和消除存在的问题和隐患；从自动化水平提升、报警有效性保障、应急措施完善等方面进行积极的研究和探索，不断提升机电设备健康水平；研究能够匹配孤岛系统输电的控制和管理技术，保证长距离孤岛系统输电的可靠性。提高了水轮发电机组、公用系统设备等在孤岛方式下运行安全性、稳定性和可靠性，有效降低了运行成本，提高了工作效率。

巨型水电厂；维护；检修；关键策略

0 前言

水轮发电机组及其附属设备的性能和工作状态与水电厂的安全稳定运行直接相关。因此为提高设备的运行稳定性和可靠性，保障现场安全生产，延长设备使用寿命，实现长周期经济运行，各水电厂需要结合自身实际，优化设备运行方式，研究和应用科学合理的维护策略。

水电厂的运行和维护，包括一般性检查和维护[2]，到加强和提高人员专业技术水平和综合素质[1-3]，采用新的管理组织和管理方式[4,5]，以及加强电气设备管理，规范电气设备检测[6,7]等方面的内容。合理的安排运行和维护工作，能够有效保障水电站设备的安全稳定运行。

文献[8]通过对二滩水电厂近年来的运行状况和运行数据分析，认为水电厂应继续注重研究平、枯水期运行方案，在节水、节电的同时提高水电厂的调峰能力和电网电能质量，实现较好的经济效益和社会效益。文献[9]介绍了广州蓄能水电厂从发电设备的实时监控、生产设备的运行和维修管理以及办公档案财务管理，都全面运用计算机和网络系统。

文献[10]和[11]认为大型水电厂对节约能源有较大意义。文献[12]推导了适应当前水电厂运行方式的优化调度计算公式和广义等耗水微增原则，提出了机组最优组合的计算方法。

文献[13]根据现代新建水电厂的特点，探讨了“运检合一，全员ON-CALL”的管理模式，打破了部门间的壁垒，提高工作效率，同时更重视人才素质的提高、人才的激励和培养。文献[14]提出了水电设备检修网络化管理模式，多种检修方式相结合，引入先进科技发展状态监测与故障诊断技术。

文献[15]加强设计、制造、安装期间遗留问题攻关，排除设备隐患、消除设备缺陷，改善发电机运行环境，规范化、标准化日常运行维护工作。

1 运行维护关键策略

某巨型水电厂装设6台单机容量700MW的水轮发电机组，额定转速为150r/min。立轴半伞式水轮发电机SF700-40/12770，水轮机HL153-LJ-660最大水头（251m）与最小水头（164m）比值为1.53，是当前70万千瓦水轮机组中水头最高的水轮机。作为调峰、调频的主力电厂，在系统中承担了调压和事故备用任务，也是目前世界上与直流换流站之间输送线路最长的水电厂。

1.1 水轮机

1.1.1 转轮裂纹

该厂自2010年2月首台机组检修开始，各台水轮机转轮均出现不同程度的裂纹，多为贯穿性裂纹。经分析评审认为，在不合理的运行工况下，水轮机转轮叶片承受的应力较大，引起叶片疲劳损伤及裂纹。

1.1.2 转轮动、静应力

为解决水轮机转轮裂纹问题，在同类型高水头、高转速、大容量的水轮机上首次开展了转轮真机动应力测试、全面掌握各工况下转轮应力情况。

试验发现水轮机在开机过程中转轮叶片承受很大的动应力，随着导叶开度增大、转轮过流流量稳定，动应力逐步减小。同时，试验也发现水轮机在连续稳定区和限制运行区运行时，动应力主要来自于无翼区的动静干涉；但在禁止运行区，动应力主要来自于转轮旋转涡带造成的尾水管压力脉动，特别是在200MW负荷以下，多个叶道涡带和水力绕流的混频作用，使动应力远超过正常运行工况值。

1.1.3 降低转轮叶片开机过程中的动应力

针对开机过程中转轮动应力偏大的问题，应用了一种能够增加水轮机转轮疲劳寿命的电站水轮机组的开机方法。以开机过程中转轮叶片动应力分析为基础，实现调速器软开机。机组转速小于135r/min期间，采用斜率线性的方式，以0.25%/s的速率开启导叶，期间开限为1.3倍空载开度，从而使转轮导叶上冠侧应力和导叶上冠下环侧应力得以有效减小。转速在135r/min至142.5r/min过程中，将导叶开度设定值设为1.2倍空载开度，减小机组转速上升速率，有效减小水轮机转轮叶片靠上冠侧的动应力。

1.1.4 单机运行区域调整

根据全水头及全负荷段机组稳定性试验、水轮机转轮动应力测试情况，综合考虑运行管理的方便性，将单机运行区域的划分调整为：空载及0～120MW为禁止运行区；120～210MW为限制运行区，单台机组在该负荷段内运行时间每年不应超过800h；210～480MW为禁止运行区（振动区）； 480～700MW为稳定运行区。通过运行负荷区的调整，可有效避免机组在禁止运行区和振动区运行，降低机组在限制运行区的运行时间，使机组长期处于稳定运行或高效运行区，明显控制了水轮机转轮裂纹。

1.1.5 水轮机转轮裂纹控制效果

各年度转轮裂纹与低负荷运行区运行时长对比见图1，图中当年低负荷运行区运行时长对应下年度检修期转轮裂纹长度，实线线型曲线表示历次机组检修期各台机水轮机转轮裂纹总长（单位：mm），虚线线型曲线表示各年度修前低负荷运行总时长（单位：h）。该厂结合2012~2013年度机组检修期优化了所有机组的开机方法，自2013~2014年度开始转轮裂纹长度变化趋势从原先的逐年增加转变为逐年减少；2014年下半年优化了机组运行方式，自2015~2016年度起转轮裂纹长度的减少趋势更加显著。

图1 转轮裂纹与低负荷运行区运行时长对比

1.1.6 开展水轮机转轮修型

为根治水轮机转轮裂纹，还开展了水轮机转轮修型工作，主要工作为水轮机转轮各叶片出水边切割修型及三角替补块焊接。根据CFD分析，水轮机转轮修型后相关参数变化如下：叶片承受的最高静应力由104.04 MPa降低至89.76 MPa，降低了约14%，转轮叶片承受的动应力预计下降超过50%。额定工况下的效率由94.10%降低至93.90%，降低了0.20%，但仍高于合同保证值93.75%。满负荷时空蚀安全余量降低为10%；修型前后叶道涡与原转轮流速分布几乎一致。

3号机组大修完成水轮机转轮修型，修型至今已连续运行两个检修期、未再出现裂纹，处理效果良好。

1.2 发电机

1.2.1 定子线棒电晕

机组运行1～2年后发电机定子线棒均出现不同程度的电晕现象。这种问题在同类型大容量机组中比较罕见，由于定子线棒电晕降低了绝缘材料的性能，严重时可能发展为树枝化放电直到击穿，必须及时处理。经深入分析，发现定子绕组接线方式不合理引起发电机定子线棒相间电位差较高，部分定子线棒相间电位差达到额定的线电压水平，加上发电机设计较为紧凑，是导致定子线棒电晕的主要原因。

通过定子线棒绕组改接线、更换定子线棒和端箍、改善定子端部安装工艺等方法，以彻底解决发电机定子电晕问题。1号机组大修后，已运行2年有余，经检查未发现明显的电晕放电点。发电机定子线棒的改造，有效保障了水轮发电机的运行可靠性，未改变发电机相关参数，线棒间的电位差由最高的97%e下降为70%e，大部分换相线棒间电位差为60%e，避开了发电机电晕起始电压，提升了发电机的健康水平。

1.2.2 空冷器防渗漏装置

水轮发电机空气冷却器安装在风洞内，机组运行过程中人员不便进入检查；同时空冷器流量较大，若运行中出现少量渗漏，也无法及时在电厂监控系统或信息系统中发现，长期渗漏后会增加发电机风洞内空气湿度，对电气设备绝缘造成不利影响。发电机空气冷却器渗漏能够造成发电机定子线棒受损的事故。

为防止出现发电机空冷器渗漏引起的电气事故，研发了水轮发电机空冷器防渗漏装置，在发电机定子机座下环板加设挡水坎、外壁布置排水孔，并加装渗漏引排管，在引排管出口设置报警装置、信号引入监控系统。在发电机空冷器冷却管路发生渗漏时，利用定子机座环板间向外的循环风力，将渗漏水通过排水管排出，报警装置发出的信息可及时提醒运维人员检查处理，避免处理不及时引起的设备损坏。

1.3 动态数据分析系统

由于电厂设备种类繁多，各类巡检和监盘工作会额外耗费大量时间、精力，设备故障、缺陷信息可能存在遗漏，也无法实现在设备运行数据出现劣化趋势时提前预警，来避免缺陷、异常甚至事故的发生。

开发了动态数据分析系统。该系统建立了统一的数据中心，实现了计算机监控系统、各在线监测系统、机组检修信息化系统等数据的整合，具有设备自动预警、报表自动生成、智能趋势分析、动态预警、动态报警、一键预警值设置等功能。

该系统大幅降低了运行监盘人员的技术门槛；趋势分析功能为机组检修定级、缺陷分析提供了有力支持，电厂运行、维护和管理人员可尽早发现潜伏性故障，提前预警，避免发生严重事故；改善了现场资源配置，实现了设备全寿命周期管理，提升了设备的健康水平，减少了运行人员报表制作、数据分析等定期工作量，保证了机组的安全、经济、稳定运行。

1.4 智能巡检机器人

针对现场运行值班人员少，当水机室等重要部位运行中出现设备问题时，将无法及时发现和组织处理，极有可能造成设备损坏甚至引发水淹厂房事故。研发并应用了智能巡检设备，在水机室等重要部位安装了基于O型轨道的智能巡检机器人，具有智能巡检和智能分析等功能，可以对监控范围内的环境情况、设备运行状态、人员作业情况等进行实时监视、自动巡视、火灾自动报警、自动分析汇总，还具有视频采集、烟雾探测、液体监测、噪音监测等功能。

1.5 全厂失电后的一键恢复

在厂用电全部失电或异常时，需临时启动柴油发电机作为备用电源，并通过多项倒闸操作来进行厂用电的恢复。在坝区厂用电失电且须紧急操作泄洪闸门的情况下，将无法快速恢复泄洪闸门工作电源，可能会对大坝安全运行造成极大影响。开展了厂用电一键倒闸功能改造，实现了柴油发电机系统的远方控制，将10kV与400V开关动作情况进行有序配合，柴油发电机应急启动后将自动倒闸供电至坝顶配电室。原回复供电需10h，现仅需0.2h。

1.6 孤岛模式下调速系统的控制方法

联网模式下的调速系统控制策略和参数在孤岛模式下出现了负荷调节品质差、频率控制不稳定的问题，特别是在孤岛直流停运后，出现了暂态高频、深度调相和频率过低等现象，严重影响水轮发电机组安全稳定运行和电网事故恢复。

在不同模式转换过程中，调速系统会根据当前电网运行模式自动切换至对应控制模式和参数，各模式下参数可在界面中在线设置，调整时无需重启调节器。对“孤岛模式”中细微的频差进行积分，从而引起系统内的负荷细微调整，达到控制频率稳定的目的。同时在系统频率调整到小死区以内后，将产生的小积分输出给定转移至有功功率给定，并保证在转移过程中频率的稳定。这样就实现了在直流系统事故时，通过平稳的自动调节，将电厂孤岛系统内的机组全部转为空载运行，频率控制在±0.2Hz以内，便于事故情况下电网将孤岛系统迅速并入联网系统。

1.7 特高压直流输电线路的孤岛运行装置

如果电站远离换流站，直流孤岛运行方式下送端电网十分薄弱，有效短路比很低，孤岛系统中的故障有可能引发送端系统失稳。直流双极闭锁情况下过电压问题也十分突出，发电机组输出功率与直流系统传输功率间容易产生不平衡的现象。通过设置孤岛运行专用装置可有效解决此问题，包括采用光纤传输信号的开关站孤岛专用装置和厂房孤岛专用装置，采用两套PLC双重化冗余配置，直流双极闭锁时能够快速切换联网与孤岛的运行模式转换，快速消除发电机组输出功率与直流系统传输功率间的不平衡，保证了直流孤岛输电线路的安全稳定运行。

1.8 其它设备运行维护关键策略

通过防火灾、防水淹厂房、防漫坝溃坝、防极端天气及地质灾害、应急通信等措施，提升了电厂应急处置能力。在推力粘滞泵中加装了带有定位套的铜套实现自润滑功能，减小了滑动部件之间的摩擦力；将大轴补气阀缓冲结构由油缓冲改造为气缓冲，并在新型大轴补气阀底部增加了多孔浮球阀，防止尾水倒流入厂房；增设主要受力及承压薄弱部位的振动摆度保护系统，实现了振动摆度过大报警以及启动紧急事故停机流程；新的筒阀启闭控制方法，解决了筒阀系统发卡问题；锁定梁行走机构，降低锁定梁闸门行走轮负荷、磨损量和更换频率；还实现了一系列机电设备的自动化控制功能。

2 结论

率先在高水头、高转速、巨型水轮机上开展了转轮真机动应力测试，对水轮机转轮叶片修型，科学划分机组运行区域，提出了一种水轮发电机组的软开机方法，解决了水轮机转轮裂纹问题；在国际上首次对700MW水轮发电机的定子线棒绕组采取改接线、定子线棒和端箍更换、改进定子端部安装工艺等措施，解决了水轮发电机定子线棒电晕问题。提高了机组运行稳定性。

开发了动态数据分析系统，具备自动预警、自动趋势分析等功能；开发了智能巡检机器人，对重要部位进行自动巡视、火灾自动报警、自动分析统计；优化筒阀系统启闭控制流程，改进筒阀直缸接力器全开位置反馈装置，提升公用系统设备可靠性；实现全厂失电后的一键恢复，提升应急处置效率。

研究了孤岛模式下的水轮发电机组调速系统的控制和管理技术，开发了孤岛运行专用装置，保证长距离孤岛系统输电的可靠性。

通过上述运行和维护关键策略的研究和实施，提高了水轮发电机组、公用系统设备等的健康水平及其运行安全性、稳定性和可靠性，有效降低了运行成本，提高了现场工作效率。

[1] 张生贤. 水电站电气设备运行维护探讨[J]. 民营科技, 2014(11):38.

[2] 何茂森. 浅析水电站运行管理中存在的问题与对策[J]. 综合论坛, 2014(4):393.

[3] 杨位. 浅谈水电厂机械主设备可靠性管理[J]. 大科技, 2014(12):315-316.

[4] 安辉. 试论水电站机电设备技术管理与维护[J]. 科技与企业, 2014(24):151.

[5] 陈洋. 水电厂运行期综合管理内容和方式探究[J].科技与企业, 2014(23):17.

[6] 范吉翰. 水力发电厂电气设备的安全运行及维护管窥[J]. 科技与企业, 2014(24):8.

[7] 郭丽平, 胡伟建, 厉菊平. 关于水电站电气设备的运行维护分析[J]. 中国新技术新产品, 2015(01):85.

[8] 陈源林. 水电厂运行维护节能探讨与实践[J]. 水电站机电技术, 2009(2):60-61,66.

[9] 黄国祯. 广州蓄能水电厂运行与管理的现代化[J]. 水电自动化与大坝监测, 2002(01):14-17.

[10] 李莉. 水电厂运行安全管理分析[J]. 硅谷, 2014(24):180-183.

[11] 蒋心勇. 水电厂的运行维护节能[J]. 科技创新与应用, 2013(33):170.

[12] 何光宇,等. 具有复杂水力系统的大型水电厂优化运行[J]. 电力系统自动化, 2009(05):100-102.

[13] 梁锋. 水电厂现代生产管理模式的探讨[J]. 企业科技与发展, 2008(24):6-8.

[14] 马龙, 肖燕凤, 卢进玉. 水电站检修维护管理现状及趋势[J]. 水电与新能源, 2014(2):50-53.

[15] 赵晓嘉, 乔进国. 巨型水电站水轮发电机运维管理创新[J]. 水力发电, 2015(10):25-28,56.

The Key Strategies of Maintenance and Service of Giant Hydropower Plant

NAN Guanqun, ZHAO Xiaojia, FAN Yingchun, ZHANG Heming, QIAO Jinguo

(Xiaowan Hydropower Station of Huaneng Hydro Lancang Co., Ltd., Dali 675702, China)

The research and application of the key strategies of maintenance and service of giant hydropower plants are introduced, the dynamic data analysis system is developed, and the intelligent inspection is realized. The key strategies of the maintenance and service are studied in order to have an overall grasp of the true performance and vulnerable spot of electromechanical equipment, and to solve and eliminate the existing problems and hidden dangers. The active research and exploration are conducted by the improvement of the automation level, the guarantee of alarm validity and the improvement of the emergency measures, so that the health level of the electromechanical equipment will be improved. The control and management technologies, which can match the islanding system transmission, are studied to guarantee the reliability of long distance islanding system transmission. Centered on the prevention of equipment failure, the failure modes of different types of equipment are analyzed. And further more, the tasks and periods of the corresponding preventive monitoring and maintenance are made to prevent equipment failure by using state maintenance. The safety, stability and reliability performance of the hydroelectric generating sets and utility system equipment under islanding model are improved, the operating cost is reduced and the operating efficiency increased effectively.

giant hydropower plant; maintenance; service; key strategies

TM612

A

1000-3983(2018)05-0076-04

2017-12-16

南冠群（1965-），1988年毕业于湖北工学院，工学学士，电站党委书记、副厂长，先后参加过长江三峡水利枢纽工程建设，澜沧江流域多个大型水电站机电工程设计、制造、安装及验收工作，高级工程师。